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产甲烷古菌介导()金属转化的研究进展  PDF

  • 黄馨
  • 李冠慧
  • 梁艳萍
  • 闫震
山东大学 环境科学与工程学院,山东省水环境污染控制与资源化重点实验室,山东 青岛

最近更新:2025-06-05

DOI: 10.13343/j.cnki.wsxb.20250296

CSTR: 32112.14.j.AMS.20250296

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摘要

产甲烷古菌是缺氧环境中碳循环的核心驱动者。近年的研究表明,产甲烷古菌还参与了(类)金属的生物地球化学循环,但其介导的金属转化机制尚未得到系统的总结。本文综合了最新的研究成果,重点解析了产甲烷古菌对铁(Fe)、汞(Hg)、钒(V)、铬(Cr)、镉(Cd)、砷(As)、硒(Se)等典型(类)金属的氧化、还原、甲基化及去甲基化过程。(1) Fe(Ⅲ)还原对甲烷生成具有双向调控作用,当胞外Fe(Ⅲ)还原不能耦合能量代谢时,会显著抑制产甲烷古菌的生长及产甲烷过程,例如巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri);而当胞外Fe(Ⅲ)还原耦合能量代谢时,则会促进产甲烷古菌的生理代谢活性,例如噬乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans);(2) 在汞甲基化机制方面,产甲烷古菌通过hgcAB基因簇编码的甲基转移酶实现Hg(Ⅱ)向甲基汞(methylmercury, MeHg)的转化,且部分菌株,如卢米尼甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus luminyensis)的甲基化活性与死细胞释放的酶活性相关;(3) 砷转化机制呈现多样性,M. acetivorans通过As(Ⅲ)S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶(arsenic methyltransferase, ArsM)催化As(Ⅲ)甲基化,同时可利用砷酸盐还原酶(arsenate reductase, ArsC)还原As(V)为As(Ⅲ),而稻田古菌群落还表现出有机胂的去甲基化能力;(4) 硒的生物转化具有双重性,低浓度硒纳米颗粒(selenium nanoparticles, SeNPs)能够促进产甲烷活性并诱导有机硒合成,而高浓度则会引发氧化应激。在环境效应方面,(类)金属通过改变氧化还原电位、竞争电子受体或诱导毒性胁迫,显著影响产甲烷古菌的代谢活性与群落结构。本文系统地揭示了产甲烷古菌在(类)金属循环中的多功能性,并提出未来需要结合宏组学与代谢组学技术解析关键酶的分子机制,同时探索基于产甲烷古菌的(类)金属污染生物修复新策略。

作为地球上最古老的生命形式之一,产甲烷古菌在碳的生物地球化学循环中发挥着重要作[

1]。越来越多的研究证实,产甲烷古菌能够参与多种(类)金属的生物转化过程。这一发现表明,产甲烷古菌不仅在碳的生物地球化学循环中,同时在某些(类)金属的生物地球化学循环中也扮演着关键角[2]。尤为重要的是,其介导的(类)金属转化过程展现出独特的代谢特征和生态功能。其中最显著的特征在于(类)金属转化过程与产甲烷代谢形成直接的能量偶联。具体而言,在环境暴露或生物转化过程中,产甲烷古菌的生理功能可能通过多种途径受到调控,进而影响缺氧环境中的甲烷排放通量。这一作用不仅会改变局部生态系统的碳循环,还可能干扰全球甲烷收支平衡,进而对温室气体排放产生多尺度的深远环境影响。此外,与假单胞菌(Pseudomonas)、希瓦氏菌(Shewanella)等常见好氧或兼性厌氧微生物不同,产甲烷古菌在深层沉积物、湿地等严格厌氧环境,以及陆地热泉、深海热液等极端环境中仍能维持较高的(类)金属转化活[3],这一特性为开发针对极端环境(类)金属污染的生物修复技术提供了新思路。本研究通过系统整合最新研究进展,重点综述了产甲烷古菌对多种(类)金属的转化机制(图1),同时探讨了(类)金属暴露及其生物转化过程对产甲烷古菌自身的影响,以期为该领域的深入研究提供理论基础,并对未来研究方向提出展望。

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图1  产甲烷古菌对多种()金属的转化机制

Figure 1  Transformation mechanisms of metals and metalloids by methanogenic archaea.

1 产甲烷古菌类群

甲烷(CH4)在全球碳和能量循环中起着重要作[

4]。直接参与CH4生产的微生物属于古菌域(archaea),称为产甲烷古[3]。系统发育学上,常规的产甲烷古菌均属于古菌域广古菌门(Euryarchaeota)中的7个[5-6]:甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、甲烷火球菌目(Methanopyrales)、甲烷胞菌目(Methanocellales)和Methanoplasmatales。随着对产甲烷古菌研究的不断深入,2012年,Dridi[7]发现了属于Euryarchaeota的第8目——Methanomassiliicoccales;随后2018年,Sorokin[8]报道了属于该门的第9目——Methanonatronarchaeales;2019年,Borrel[9]又发现了第10目——Methanoliparales。2021年,Rinke[10]提出了基因组分类法的标准化古菌分类法,将产甲烷古菌的10个目重新划分至3个门(MethanobacteriotaHalobacteriotaThermoplasmatota)中,而根据2023年NCBI数据库的分类标准,产甲烷古菌则存在于EuryarchaeotaCa. Thermoplasmatota以及TACK超门[11]

产甲烷古菌是目前已知的唯一大量产甲烷的微生物,广泛存在于地球上各种缺氧环境中,如稻田土壤、海洋沉积物、湿地甚至热泉等极端环[

3,12],在地球主要元素的生物化学循环过程中扮演关键角[13]。根据代谢底物差异,其产甲烷途径大致可分为3类(图2)[14]:(1) H2/CO2[15],又称还原CO2途径,以H2或甲酸为电子供体还原CO2产CH4,是大多数产甲烷古菌的主要代谢方式。(2) 甲基营养途[12],通过甲基化合物本身的歧化作用或H2还原甲基化合物中的甲基来产生CH4。(3) 乙酸途[16],裂解乙酸通过其中的甲基还原和羧基氧化生成CH4和CO2。直到2016年,日本研究团队报道了一种新的产甲烷途径——甲氧基型产甲烷途[17],打破了对产甲烷古菌仅能利用简单碳氢氧化合物的固有认知。2021年,Zhou[18]提出了第5种产甲烷途径——烷基型产甲烷途径。证实了产甲烷古菌也具备利用复杂有机化合物进行产甲烷代谢的能[19]

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图2  产甲烷古菌的主要产甲烷代谢途[

14]

Figure 2  Key methanogenic pathways in methanogenic archaea[

14].

2 产甲烷古菌对金属的转化

2.1

铁是地球上最丰富的过渡金属元素,其 Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)氧化还原循环产生电子跃迁为地球表层系统提供了丰富的能量通[

20]。多种原生和次生铁矿物(如水铁矿、针铁矿和赤铁矿等)普遍存在于缺氧土壤、自然湿地和沉积物[21],同时这种缺氧环境也为产甲烷古菌的生长提供了良好的基质和环境条件,使得产甲烷古菌与Fe(Ⅲ)矿物存在着密切的共存关系。此外,含铁黏土矿物在土壤、沉积物和沉积岩中也无处不[22-23],黏土矿物中结构铁价态的变化会影响其物理和化学性[24],从而对营养循环、植物生长、污染物迁移和石油生产等许多环境过程产生影[22-23,25]

研究表明,多种产甲烷古菌介导无定形铁还原从而抑制甲烷生[

26-28]。Bond[26]研究了5种产甲烷古菌在不同底物条件下还原Fe(Ⅲ)氧化物的能力,巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri) MS和沃氏甲烷球菌(Methanococcus voltae) A3利用H2作为电子供体显著还原Fe(Ⅲ),其生长和甲烷生成受到抑制;当以甲醇为底物时,Methanosarcina barkeri MS还原Fe(Ⅲ)的能力大大降低;由于CH4产生和Fe(Ⅲ)还原同时进行,部分电子被分流用于 Fe(Ⅲ)还原,因此,含Fe(Ⅲ)培养物产生的甲烷比对照组产生的甲烷少;当以乙酸盐为电子供体时,Methanosarcina barkeri MS的CH4产生、细胞生长和Fe(Ⅲ)还原均受到完全抑制;兔甲烷球形菌(Methanosphaera cuniculi) 1R7只能通过以H2为电子供体的甲醇还原来产甲烷,其在还原Fe(Ⅲ)时未检测到甲烷的产生,细胞无活性,生长受到抑制;利用H2和二级醇作为电子供体的沼泽甲烷杆菌(Methanobacterium palustre) F未表现出任何显著的Fe(Ⅲ)还原,该菌株也不能产生CH4;同样地,瓦尔肯甲烷叶菌(Methanolobus vulcani) PL-12/M也未观察到显著的Fe(Ⅲ)还原,其在Fe(Ⅲ)存在下生长不[26]。随后,van Bodegom[27]发现添加无定形Fe(OH)3能够直接抑制产甲烷古菌产生CH4,且以H2/CO2为底物生长的亨氏甲烷螺菌(Methanospirillum hungatei)和Methanosarcina barkeri对Fe(Ⅲ)的敏感性高于以乙酸盐为底物生长的索氏产甲烷丝菌(Methanothrix soehngenii)和Methanosarcina barkeri。当以H2/CO2或甲醇为底物时,Methanosarcina barkeri还显示出还原Fe(Ⅲ)的能[27]。也有研究表明,Methanosarcina barkeri在接近自然条件(无H2且底物受限)情况下,也会迅速从产甲烷过程转变为Fe(OH)3[28]

此外,产甲烷古菌还可还原铁矿物中的结构Fe(Ⅲ)。Liu[

29]发现,以H2为唯一底物,Methanosarcina barkeri能够还原针铁矿中的结构Fe(Ⅲ),但极大地抑制了其生长和甲烷生成。Eliani-Russak[30]研究了Methanosarcina barkeri在接近自然条件下对3种天然氧化铁的还原能力,证实了其不仅可以还原高反应性的无定形铁,还可以还原低反应性的磁铁矿和赤铁矿;其中,无定形铁还原程度最高,磁铁矿次之,赤铁矿最低,而甲烷产量则呈现相反趋势,Fe(Ⅲ)的还原抑制了甲烷的产生。此外,Liu[31]研究表明,Methanosarcina barkeri还可以还原黏土矿物绿脱石(nontronite NAu-2)中的结构Fe(Ⅲ)。他们利用3种底物进行实验,发现Methanosarcina barkeri在H2/CO2或甲醇为底物时可以还原NAu-2中的Fe(Ⅲ),但乙酸盐为底物时不具备还原能力;此外,在H2/CO2培养条件下Fe(Ⅲ)还原抑制了甲烷生成,而以甲醇为底物培养时,虽然前期甲烷生成受到了抑制,但最终产量较无NAu-2对照组甚至有所提升,由于结构Fe(Ⅲ)的生物还原,NAu-2部分溶解,形成了高电荷蒙脱石和生物二氧化[31]。随后,Zhang[25]发现索氏产甲烷丝菌(Methanosarcina mazei)能够还原多种黏土矿物中的结构Fe(Ⅲ),将Methanosarcina mazei暴露于4种不同的黏土矿物(富铁蒙脱石NAu-2、伊利石-蒙脱石混合层矿物RAr-1和ISCz-1、伊利石IMt-1)中,均发现Fe(Ⅲ)被还原,其还原程度与每种黏土矿物中的蒙脱石比例呈正相关,蒙脱石中的Fe(Ⅲ)最易还原,伊利石最难;所有矿物中Fe(Ⅲ)的生物还原均抑制了甲烷生成,但程度不同;该过程同时诱导了生物源伊利石-蒙脱石混合层矿物、二氧化硅和蓝铁矿的形成。随后,该团队发现嗜热产甲烷古菌热自养甲烷热杆菌(Methanothermobacter thermautotrophicus)以H2/CO2为底物,能够还原富铁蒙脱石(绿脱石NAu-2)和贫铁蒙脱石(怀俄明蒙脱石SWy-2)中的Fe(Ⅲ),其中NAu-2的生物还原程度更高;当通过添加产甲烷抑制剂2-溴乙烷磺酸盐(2-bromoethane sulfonate, BES)抑制甲烷生成时,NAu-2和SWy-2的生物还原程度都有所降低,表明Fe(Ⅲ)生物还原和甲烷生成是互惠互利的;这可能是由于Fe(Ⅲ)生物还原降低了系统的还原电位,从而有利于甲烷生成,而甲烷生成又反向刺激了产甲烷古菌的生长,从而增强了Fe(Ⅲ)的生物还[32]。与以前使用相同粒径NAu-2的报[25,31]相比,Methanothermobacter thermautotrophicus的NAu-2初始生物还原速率比Methanosarcina barkeri高出近1个数量级,几乎是Methanosarcina mazei还原速率的2倍。除Methanothermobacter thermautotrophicus外,嗜热产甲烷古菌坎氏甲烷火菌(Methanopyrus kandleri)和热自养产甲烷热球菌(Methanothermococcus thermolithotrophicus)也被报道可以利用H2作为电子供体对柠檬酸铁进行生物还[20]。然而,当时尚未研究其还原不溶性Fe(Ⅲ)矿物的能力及Fe(Ⅲ)对甲烷生成的影响。2014年,Yamada[33]进一步研究了3种嗜热产甲烷古菌[Methanothermococcus thermolithotrophicus、热嗜醋产甲烷丝菌(Methanothrix thermoacetophila)、嗜热甲烷八叠球菌(Methanosarcina thermophila)]还原水铁矿的能力,研究表明只有在底物中存在H2时,水铁矿才能被这3种嗜热产甲烷古菌还原,虽然添加水铁矿导致3种产甲烷古菌完全抑制或抑制甲烷生成,但其对水铁矿的还原部分减轻了该抑制作用。

从这些研究来看,学者们提出了2种Fe(Ⅲ)矿物抑制产甲烷作用的潜在机制:(1) 在胞外Fe(Ⅲ)存在条件下,电子流从CO2还原(CH4生成)转向Fe(Ⅲ)还[

26-27,31]。(2) 水铁酸盐的存在会导致其周围环境的氧化还原电位增[25,27,33]。由于产甲烷古菌作为专性厌氧菌需要生长在较低的氧化还原电位中,环境氧化还原电位的升高会严重抑制其生长和甲烷生[34-35]

与上述铁氧化物还原抑制甲烷生成的报道不同,陆雅海团队发现从青藏高原天然湿地分离的产甲烷古菌Methanosarcina mazei zm-15能够还原Fe(Ⅲ),并显著促进甲烷生[

36-38]。在乙酸型产甲烷过程中,磁铁矿(nanoFe3O4)的添加显著促进了CH4生成,这与矿物中结构Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的氧化还原循环相关。培养初期Methanosarcina mazei zm-15和对照组的Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)比率均增加,随后对照组趋于稳定,而实验组呈现先降后升趋势,其中Fe(Ⅱ)氧化期与CH4产量的快速增加相对应,表明磁铁矿的这种氧化还原循环与产甲烷的促进作用相一[36]。同样利用乙酸盐作为底物时,柠檬酸铁和水铁矿的还原也显著促进了Methanosarcina mazei zm-15生长,且无定形的柠檬酸铁比水铁矿更容易还原,磁铁矿是水铁矿的主要还原产[38]。在甲基营养型产甲烷过程中,Methanosarcina mazei zm-15还原水铁矿能力较强,并显著促进其生长和甲烷生成,但该菌株不能还原高结晶度的针铁矿和赤铁矿,蓝铁矿是水铁矿的主要还原产[37]

此外,部分产甲烷古菌还能通过耦合呼吸代谢过程进行Fe(Ⅲ)的还原。在乙酸型产甲烷过程中,如噬乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)能够通过细胞色素c进行依赖Fe(Ⅲ)还原的呼吸代谢,显著促进了其生长和甲烷产量,而细胞膜结合的多血红素细胞色素c (multiheme c-type cytochrome, MHC)可能在这一途径中发挥了重要作[

39]。MHC广泛分布于具有Fe(Ⅲ)还原能力的细菌(如Shewanella)中,由于血红素或铁卟啉的存在,MHC可能参与电子向可溶性或不溶性Fe(Ⅲ)转移的过程中。Song[40]发现从Methanosarcina acetivorans膜组分分离的吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)可以显著提高产甲烷古菌胞外电子传递效率,揭示了MHC或许并不是唯一的膜电子传递载体,为(类)金属与产甲烷古菌的呼吸性还原提供了新的可能性。Yan[41]通过Methanosarcina acetivorans的膜体外实验证实,还原性铁氧还蛋白对可溶性柠檬酸铁的还原与跨膜形成的Na+梯度相结合,促进了ATP的合成,可能通过能量代谢和胞内氧化还原物质的转化来逆转甲烷生成和甲烷氧化生长。随后,该团队进一步通过体内实验证实,Methanosarcina acetivorans C2A能够通过Fe(Ⅲ)还原进行呼吸驱动的CH4营养生长,主要表现为蛋白质产量增加和CH4消耗,水铁矿的还原表现为Fe(Ⅱ)增加和磁铁矿特有的磁性颗粒的积累,并通过另一株海洋产甲烷古菌Methanococcoides orientis验证了上述研究的普适[4]

Wang[

36]和Fu[42]还发现,纳米磁铁矿(nanoFe3O4)添加均促进了Methanosarcina mazeiMethanosarcina barkeri的乙酸型产甲烷过程。此外,Shang[43]Methanosarcina barkeri的培养体系中添加水铁矿后,除已被报道的还原产物Fe(Ⅱ)外,还发现了零价铁矿物(zero-valent iron, ZVI)的存在。这一发现为铁金属保护及ZVI的绿色合成方法提供了新思路。也有一些研究表明,氧化铁矿物作为天然电极可能发挥作用,以产生独特的共养相互作用,促进甲烷的产[44-45]。黄铁矿(FeS2)是地壳中最丰富的硫化物矿[46],但FeS2在低温下是稳定的,并且在无氧气的条件下具备生物不可利用[47-48]。研究报道,从海洋和淡水环境中分离的产甲烷古菌Methanococcus voltae A3和Methanosarcina barkeri MS都可以在低温(≤38 °C)下催化FeS2的还原溶解,并利用溶解产物来满足细胞代谢对Fe和S的需[48]

氧化铁矿物和产甲烷古菌无处不在,并在缺氧环境中共存。Fe(Ⅲ)还原对甲烷生成具有双向调控作用。当胞外Fe(Ⅲ)还原不能耦合能量代谢时,产甲烷古菌的生长及产甲烷过程受到显著抑制;而当胞外Fe(Ⅲ)还原耦合能量代谢时,则会促进产甲烷古菌的生理代谢活性。此外,产甲烷古菌介导的铁转化过程多样,在铁的生物地球化学循环中发挥重要作用,并可能对全球甲烷通量产生重要影响。

2.2

汞(Hg)是一种剧毒重金属,对人类和环境健康具有严重危[

49]。自然环境中的汞可分为无机汞和有机汞两类,其中无机汞主要以0、+1、+2价存在,而有机汞主要包括甲基汞、乙基汞和苯基汞[50]。一般认为,汞甲基化是一种天然的微生物过程,可以将无机的Hg(Ⅱ)转化为毒性最强的甲基汞(methylmercury, MeHg)[51-52],这一过程是汞生物地球化学循环中的重要环节。

早在1968年,产甲烷古菌就被提出可以进行汞甲基[

53],因为产甲烷古菌Methanobacterium bryantii的细胞提取物被发现可以将Hg(Ⅱ)转化为MeHg。然而,后来报道了硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)能够主导汞甲基化后,产甲烷古菌的汞甲基化似乎被忽视了。直到2011年,Hamelin[54]报道淡水湖周丛植物生物膜的汞甲基化是由产甲烷古菌主导的,因为当他们添加产甲烷抑制剂2-溴乙烷磺酸(2-bromoethane sulfonic acid, BESA)后,发现汞甲基化过程被显著抑制了。随后,Yu[55]发现,产甲烷古菌Methanospirillum hungatei JF-1在无硫化物培养基中汞甲基化速率与某些SRB和铁还原菌(iron-reducing bacteria, IRB)相当,且产率更高,这是产甲烷古菌纯培养物对汞甲基化的首次报道。HgcAB (编码汞甲基化的基因)可以调控微生物的汞甲基化过程,是汞甲基化微生物的标志性基[56]。2013年,Gilmour[57]发现,2种具有hgcAB近缘同源基因的产甲烷古菌荷兰食甲基甲烷菌(Methanomethylovorans hollandica)和廷达尔角甲烷叶菌(Methanolobus tindarius)可以进行汞甲基化。紧接着,Podar[58]报道,从人类粪便分离出的产甲烷古菌卢米尼甲烷马赛球菌(Methanomassiliicoccus luminyensis)也具有hgcAB,能够进行汞甲基化,且其甲基化速率与Methanomethylovorans hollandica相似,远高于Methanolobus tindarius[57]。Gilmour[59]还从已知的19种携带hgcAB基因的产甲烷古菌中选取了9种,进行了甲基汞生成能力的定量测定与比较,发现其中有8种产甲烷古菌能够产生比对照组更多的MeHg,证实了大多数携带hgcAB基因的产甲烷古菌能够进行汞甲基化。此外,除了大量研究报道的产甲烷古菌具有汞甲基化能力外,产甲烷古菌可能也参与了MeHg去甲基化过[52,60]

微生物介导的甲基化过程是无机汞生物转化的主要途径。然而,在过去很长一段时间,SRB和IRB被认为是主要的汞甲基化微生物。上述研究表明,产甲烷古菌在汞甲基化过程中同样发挥重要作用,其参与沉积物、水体和土壤等多种环境中的汞甲基化过程,同时还参与了有机汞的去甲基化过程,极大地拓展了对汞生物地球化学循环的认知。

2.3

镉(Cd)是一种剧毒的非必需重金属,在自然环境中仅以+2价形式稳定存在。广泛存在于土壤、海洋、湖泊、河流等自然环境[

61],由于人类活动和不恰当的处置方法,已经成为土壤和水体的严重污染[61-62]

据报[

63-64],在甲基型产甲烷过程中,低浓度(100 μmol/L)镉的添加不会改变Methanosarcina acetivorans的生长和甲烷生成,而利用乙酸盐为底物时,此过程被略微促进;更高浓度(500 μmol/L)镉对细胞具有毒性,完全抑制了其生长和甲烷产生。然而进一步研究发现,经过长期低浓度(50 μmol/L) Cd(Ⅱ)预适应的Methanosarcina acetivorans能够耐受更高浓度(0.8 mmol/L)[65]。值得一提的是,Methanosarcina acetivorans能够通过与含硫分子偶联在胞内积累Cd(Ⅱ),从而在一定程度上去除培养基中的[63]

2.4 钒和铬

钒是一种过渡金属元素,自然环境中一般以+3、+4、+5价存[

66]。铬是一种重要的金属元素,一般以+3、+6价2种稳定的形式存[67]。钒和铬在环境中的毒性和迁移性随其价态的升高而增加。钒酸盐形式的V(V)毒性和迁移性最强,而V(Ⅵ)毒性较小,且在中性pH条件下不溶于[68];类似地,Cr(Ⅵ)被认为是一种剧毒物质,而Cr(Ⅲ)在水中溶解度低、流动性差、毒性[69]

自20世纪70年代以来,多种细菌或真菌[如奥奈达湖希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)]对钒的生物还原能力被陆续报[

70],然而古菌是否有该能力尚未见报[71]。直到2015年,Zhang[72]发现嗜温产甲烷古菌Methanosarcina mazei和嗜热产甲烷古菌Methanothermobacter thermautotrophicus在生长和非生长条件下均具有还原V(V)的能力,还原速率和程度取决于不同的底物和V(V)浓度,V(V)的生物还原发生在胞外,并伴随着无定形V(Ⅳ)沉淀的形成;同时,V(V)的还原抑制了甲烷的生成,这可能是由于部分电子从甲烷生成转移到了钒酸盐还原。此外,以甲烷为电子供体,在添加了钒酸盐的厌氧污泥生物反应器中也观察到了产甲烷古菌丰度的增[68]

以H2/CO2作为底物,Methanothermobacter thermautotrophicus还被报道能够还原Cr(Ⅵ),在0.2 mmol/L和0.4 mmol/L低浓度下能达到完全还原,在较高浓度下则能实现3.7%-43.6%的还原,这可能是由于高浓度铬对产甲烷古菌产生了毒性;还原态铬主要以氢氧化物或氧化物样的无定形固体形式存在,并含有一定比例的可溶性Cr(Ⅲ),其甲烷生成也受到了不同程度抑制,可能是由于Cr(Ⅵ)具有细胞毒性,也可能由于部分电子从甲烷生成转移到了铬还[

73]

将高毒性、迁移性的V(V)和Cr(Ⅵ)还原为较低的氧化态,被认为是一种从受污染地下水等环境去除钒和铬的修复方法,而产甲烷古菌介导的V(V)和Cr(Ⅵ)的生物还原在缺氧环境污染修复上展现出重要应用潜力。截至目前,关于其具体还原机制与调控网络仍不清楚,还需进一步深入探究。

3 产甲烷古菌对类金属的转化

3.1

砷(As)是一种广泛存在于自然界的剧毒元[

74],其环境中的化学形态多样,且不同形态对生物体的毒性差异显[75]。一般而言,As(Ⅲ)的毒性和迁移性均高于As(V),而+3价有机胂的毒性甚至超过无机砷,+5价有机胂则相[76]。微生物能够介导多种砷形态的转化,包括As(V)和As(Ⅲ)之间的氧化还原反应,以及砷化合物的甲基化和去甲基化过程[75],直接或间接影响其在环境中的迁移转化。其中,产甲烷古菌在砷的生物地球化学循环中扮演着关键角[77]

研究表[

78-79],产甲烷古菌Methanosarcina mazei具有砷甲基化能力,但这主要通过与产甲烷过程的核心辅因子反应相耦合,并不依赖于(类)金属特异性甲基转移酶,产甲烷古菌是否存在砷甲基化的酶促途径尚不清楚。直到2014年,朱永官团队首次从产甲烷古菌Methanosarcina acetivorans C2A中鉴定并表征了As(Ⅲ)S-腺苷甲硫氨酸甲基转移酶(arsenic methyltransferase, ArsM),证实了该菌株具有将无机砷转化为有机胂的能[80]。Viacava[81]评估了编码活性ArsM的7种微生物的砷甲基化能力,发现产甲烷古菌(Methanosarcina mazei Gö1和Methanosarcina acetivorans C2A)相较于其他厌氧微生物具有更好的甲基化效率,并进一步证实了这些产甲烷古菌的甲基化可能不是由于活细胞进行的主动代谢,而是由于在稳定期从死细胞释放的与甲烷生成相关的甲基转移酶、辅因子或ArsM (如果表达)所介导的被动事件,为产甲烷古菌的砷甲基化提供了另一种解释。Wang[82]在富含硫化物的温泉沉积物富集培养物中,检测到了唯一产甲烷古菌属甲烷八叠球菌属(Methanosarcina),并利用该属中的纯菌株Methanosarcina thermophila TM-1进一步验证,发现其确实可以使砷甲基化,并且甲基化后的产物在富含硫的环境中发生非生物硫醇化反应,生成了毒性更高的甲基化硫代砷酸盐。近期,Liang[83]也证实,产甲烷古菌Methanosarcina acetivorans C2A可以利用ArsM催化As(Ⅲ)转化为一甲基胂(monomethylarsine, MMA),若底物条件和电子供体充足,还可以进一步催化生成二甲基胂(dimethylarsine, DMA)和三甲基胂(trimethylarsine, TMA)。值得一提的是,该团队还首次报道了Methanosarcina acetivorans C2A可以利用砷酸盐还原酶(arsenate reductase, ArsC)催化As(V)还原为As(Ⅲ),并且低浓度As(V)的添加促进了其生长和产气,高浓度As(V)的添加则显著抑制了该过[83]

与上述研究不同的是,产甲烷古菌还被报道能够使稻田土壤中的有机胂去甲基[

84-85]。Chen[84]发现,水稻土富集培养物中的产甲烷古菌能催化DMA(Ⅲ)去甲基化,研究利13C标记等手段,首次揭示了甲基化砷能被甲基营养型产甲烷古菌去甲基化。随后,该团队在富集培养物中分离出了能够去甲基化DMA(Ⅲ)的H2依赖性甲基营养型产甲烷古菌Methanomassiliicoccus luminyensis CZDD1[85]

这些研究表明产甲烷古菌在砷的甲基化、还原、去甲基化过程中均发挥了关键作用,产甲烷古菌介导砷的转化呈现多样性,同时最新的报道也阐明了产甲烷古菌不同于细菌的砷转化机制,为理解砷的生物地球化学循环提供了新的理论依据。

3.2

硒是一种微量元素,既是生物体必需的营养元素,也是一种环境毒[

86-87]。硒的毒性和生物利用度与其价态密切相[88]。自然环境中,硒以4种不同的价态(-2、0、+4、+6)存在,包括多种无机(硒酸盐、亚硒酸盐、元素硒、硒化物)和有机(氨基酸、甲基化化合物)形[89]。其中,硒酸盐和亚硒酸盐在高浓度下具有生物毒性,解毒可以通过甲基化挥发来实[90]。硒纳米颗粒(selenium nanoparticles, SeNPs)是硒的一种单质形[91],其细胞毒性低于硒酸盐和亚硒酸盐。

在古菌中,只有甲烷球菌属(Methanococcus)、甲烷热球菌属(Methanocaldococcus)和甲烷火菌属(Methanopyrus)可以合成硒蛋白,它们仅通过甲烷生成的氢营养途径保存能量以供生[

92-93]。绝大多数古菌硒蛋白都参与了产甲烷代谢过程,以模式产甲烷古菌海沼甲烷球菌(Methanococcus maripaludis) JJ为例,其9种硒蛋白中有7种都直接参与这一代谢途[94],但在培养过程中,如果硒被剥夺或硒蛋白合成途径被破坏,它们可以被含半胱氨酸的亚型取代,从而进行不依赖于硒的生[95]。据报道,甲烷球菌属(Methanococcus)能够利用2种形态的硒:亚硒酸钠和二甲基硒(dimethylselenide, DMSe)[90]。然而最新研究发现,该属的Methanococcus maripaludis除了能利用这2种形态的硒外,部分硒源(如硒氰酸盐)的利用效率与亚硒酸盐相当甚至更高,而硒酸盐和硒代氨基酸需在非生理性高浓度下才能被利用,二苯基二硒和硒脲则完全无法被利[96]。值得注意的是,对于一些依赖含硒酶进行核心代谢的生物,硒必不可少。如当培养基中硒缺乏时,会导致超嗜热产甲烷古菌詹氏甲烷热球菌(Methanocaldococcus jannaschii)无法生[97]Methanococcus voltae生长速率降[98-99]。然而,Niess[90]报道Methanococcus voltae可能含有一个参与DMSe去甲基化过程的基因簇sdmAC,在硒缺乏条件下能够诱导该蛋白簇的高效表达,SdmA和SdmC两种不同的甲基转移酶可能参与了DMSe的逐步去甲基化,二甲基硒化物的去甲基化也为Methanococcus voltae的正常生长开辟了另一种硒源。

近期,Liu[

91]发现,当产甲烷古菌Methanosarcina acetivorans C2A暴露于低浓度的SeNPs时,显著促进了其生长和CH4产生,这可能由于低浓度的SeNPs促进了离子转运和氨基酸合成,而在较高浓度下,SeNPs会诱导氧化应激,破坏代谢过程并抑制生长和CH4产生;此外,该研究还证实了SeNPs能够被Methanosarcina acetivorans C2A转化为多种有机硒和无机硒化物,体现了SeNPs的生物可用性;令人惊喜的是,还检测到了挥发性硒物种——DMSe、二甲基二硒化物(dimethyldiselenide, DMDSe)和二甲基硒酮(dimethylselenone, DMSeO2),表明该菌株具有催化SeNPs转化为挥发性硒的特殊代谢途径,这种策略可能用于硒解毒。

上述研究表明,产甲烷古菌在硒的利用、去甲基化等过程中均发挥了关键作用,同时其对SeNPs的生物转化具有双重性:低浓度SeNPs会促进产甲烷活性并诱导有机硒合成,而高浓度则引发氧化应激。这些发现对进一步解析硒的生物地球化学循环及其环境影响具有重要的研究价值。

本文汇总整理了上述多种产甲烷古菌对(类)金属的转化情况及其生长代谢受到的影响,详见表1

表1  ()金属对产甲烷古菌产甲烷影响及其转化产物
Table 1  Transformation products of metal(loid)s by methanogenic archaea and the impact of these elements on methane production
OrganismSubstrateTypes of metal(loid)sMethanogenesisMain transformation productsReferences
Methanosarcina barkeri H2/CO2

Amorphous Fe(OH)3/goethite/

nontronite NAu-2

Inhibition Fe(Ⅱ) [26-27,29,31]
Methanosarcina barkeri Methanol Amorphous Fe(OH)3 Inhibition Fe(Ⅱ) [26-27]
Methanosarcina barkeri Acetate Amorphous Fe(OH)3 Inhibition Fe(Ⅲ) [26-27]
Methanosarcina barkeri Acetate Nontronite NAu-2 - Fe(Ⅲ) [31]
Methanosarcina barkeri Methanol Nontronite NAu-2

Inhibit initially but

enhance ultimately

Fe(Ⅱ) [31]
Methanosarcina barkeri Close to natural conditions

Amorphous Fe(OH)3/

hematite/magnetite

Inhibition Fe(Ⅱ) [28,30]
Methanosarcina barkeri Acetate NanoFe3O4 Enhancement Fe(Ⅱ) [42]
Methanosarcina barkeri H2/CO2 Ferrihydrite - Fe(Ⅱ) and ZVI [43]
Methanosarcina mazei Methanol Clay minerals (nontronite NAu-2/mixed-layer illite-smectite RAr-1 and ISCz-1/illite IMt-1) Inhibition Fe(Ⅱ) [25]
Methanosarcina mazei Acetate NanoFe3O4 Enhancement Redox cycling of Fe(Ⅱ) and Fe(Ⅲ) [36]
Methanosarcina mazei Acetate Ferric citrate/ferrihydrite Enhancement Fe(Ⅱ) [38]
Methanosarcina mazei Methanol Ferrihydrite Enhancement Fe(Ⅱ) [37]
Methanosarcina mazei Methanol Goethite/hematite No impact Fe(Ⅲ) [37]
Methanococcus voltae H2/CO2 Amorphous Fe(OH)3 Inhibition Fe(Ⅱ) [26]
Methanospirillum hungatei H2/CO2/acetate Amorphous Fe(OH)3 Inhibition - [27]
Methanothrix soehngenii Acetate Amorphous Fe(OH)3 Inhibition - [27]
Methanothermobacter thermautotrophicus H2/CO2

Clay minerals (nontronite

NAu-2/wyoming

montmorillonite SWy-2)/ferrihydrite

Inhibition Fe(Ⅱ) [32-33]
Methanothrix thermoacetophila Acetate Ferrihydrite Inhibition Fe(Ⅲ) [33]
Methanothrix thermoacetophila (high-density cultures) H2/CO2 Ferrihydrite - Fe(Ⅱ) [33]
Methanothrix thermoacetophila (high-density cultures) Acetate and H2/CO2 Ferrihydrite Inhibition Fe(Ⅱ) [33]
Methanosarcina thermophila Methanol and H2/CO2 Ferrihydrite Little inhibition Fe(Ⅱ) [33]
Methanosarcina thermophila H2/CO2 Ferrihydrite - Fe(Ⅱ) [33]
Methanosarcina thermophila Acetate/methanol Ferrihydrite Inhibition Fe(Ⅲ) [33]
Methanopyrus kandleri H2/CO2 Ferric citrate - Fe(Ⅱ) [20]
Methanothermococcus thermolithotrophicus H2/CO2 Ferric citrate - Fe(Ⅱ) [20]
Methanosarcina barkeri Methanol Pyrite - Fe(Ⅱ) (reductive dissolution of FeS2) [48]
Methanococcus voltae Formate Pyrite - Fe(Ⅱ) (reductive dissolution of FeS2) [48]
Methanosarcina acetivorans Acetate Ferrihydrite Enhancement Fe(Ⅱ) [39]
Methanospirillum hungatei Na-formate HgCl2 - MeHg [55]
Methanomethylovorans hollandica Methanol Inorganic Hg - MeHg [57]
Methanolobus tindarius Methanol Inorganic Hg - MeHg [57]
Methanomassiliicoccus luminyensis - Inorganic Hg - MeHg [58]
Methanosarcina acetivorans Methanol CdCl2 No impact - [63]
Methanosarcina acetivorans Acetate CdCl2 Enhancement - [63]
Methanosarcina mazei Methanol NaVO3 Inhibition V(Ⅳ) [72]
Methanosarcina mazei Acetate NaVO3 Inhibition V(Ⅳ) [72]
Methanosarcina mazei H2/CO2 NaVO3 Inhibition V(Ⅳ) [72]
Methanothermobacter thermautotrophicus H2/CO2 NaVO3 Inhibition V(Ⅳ) [72]
Methanothermobacter thermautotrophicus H2/CO2 K2Cr2O7 Inhibition Cr(Ⅲ) [73]
Methanosarcina thermophila - Arsenite - Methylated thioarsenates [82]
Methanosarcina acetivorans Methanol As(Ⅲ) - MMA [80,83]
Methanomassiliicoccus luminyensis Methanol DMA(Ⅲ) - As(Ⅲ) [85]
Methanosarcina acetivorans Methanol SeNPs Concentration-dependent promotion and inhibition Inorganic selenium and organic selenium species [91]

4 总结与展望

产甲烷古菌是生物产甲烷过程的关键微生物,在全球碳循环和生物能源生产中发挥着重要作用。近年来,产甲烷古菌在(类)金属生物地球化学循环中的重要作用已被广泛报道。本文系统梳理了产甲烷古菌对部分(类)金属——Fe、Hg、V、Cr、Cd、As、Se的转化机制,并阐述了该转化过程对产甲烷古菌自身生长和产气的影响。

然而,目前关于产甲烷古菌对(类)金属的转化机制其实还缺乏更为深入的研究。例如,产甲烷古菌是通过何种机制进行钒和铬的还原?产甲烷古菌对于有机胂的去甲基化又是如何实现的?因此未来研究应重点关注以下方向:首先,需要结合新型实验技术和方法,深入探究产甲烷古菌对(类)金属的转化机理。考虑到不同产甲烷古菌的代谢底物和电子传递途径可能存在显著差异,可整合比较基因组学、转录组分析等高通量技术,并结合基因敲除等分子生物学手段,以阐明这些转化行为背后的分子机制。其次,应进一步探究复杂环境基质中多种(类)金属的协同转化规律,开发基于产甲烷古菌的(类)金属污染生物修复技术。此外,还需综合运用元素通量模型、同位素示踪与指纹分析、长期监测与大数据整合等手段,系统评估此类转化过程对全球元素循环的贡献,研究重点包括:量化局部环境中的(类)金属形态转化速率、结合地球化学模型(如Geochemist’s Workbench)解析(类)金属转化对碳-硫耦合循环的影响、预测未来气候变化下的生物转化趋势,从而为环境治理和可持续发展提供创新的生物技术策略支持。

作者贡献声明

黄馨:论文撰写和修改;李冠慧:图表绘制;梁艳萍:参与论文讨论;闫震:论文构思与修改。

利益冲突

作者声明不存在任何可能会影响本文所报告工作的已知经济利益或个人关系。

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